基于貴州能源研究組建貴州煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心的思考

馬啟雄　馮富壽　詹鳳合　楊聲鵬

摘要：簡單介紹了貴州的發展史、能源優勢及其研究背景，指出了貴州省煤層氣頁巖氣資源及勘探開發現狀，分析了其開發存在的主要問題，提出了組建貴州高核煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心的方案，以期提供參考。

關鍵詞：貴州；煤層氣頁巖氣；協同研究中心；清潔能源

中圖分類號：F426.22

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）8018305

1引言

據貴州省煤田地質局研究的成果，貴州煤炭資源總量為2419億t，占全國的4.3%；煤層氣資源總量為3.15萬億m3，約占全國的10%，排名全國第二，素有“北有山西，南有貴州”之說。并且而根據最新調查資料顯示，貴州省頁巖氣地質資源量為13.54萬億m3，可采資源量約1.95萬億m3，近年來排名已經上升至全國第三[1]，煤層氣和頁巖氣作為潔凈能源其開發利用價值在我國能源行業引起高度重視，貴州省將其列為新能源產業發展的一個重點方向，與水電、風能、太陽能等項目聯合開發。但是在煤層氣頁巖氣的開采技術上還有待更新進步，而成立煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心對貴州未來在新能源開發方面的發展將起著重要作用，并對貴州又好又快發展提供便利和縮短進程。

2貴州的發展史

貴州是一個多民族的山區，《黔志》曾有“天無三日晴，地無三里平”的記載，后來又有“人無三分銀”的說法但是隨著科學技術的不斷發展，特別是地質勘探技術，氣象科學等的發展，拓寬了人們的視野，使人們的認識逐步由地面到地下、由感性到理性地逐步深化。20世紀60年代初，周恩來提出：“貴州山川秀麗、氣候宜人、資源豐富、人們勤勞。只要貴州各族人民在中國共產黨的領導下，加強團結，努力工作，那么貴州的社會主義建設必將后來居上，大有希望”[2]。經過解放60余年的建設和發展，全省經濟社會面貌發生了翻天覆地的歷史性的巨變。但是由于原來的基礎差、底子薄，同全國特別是同發達地區相比，貴州還處于相對落后地位。然而，貴州具備良好的資源稟賦，又積累了相當規模的物質技術基礎和開發實力，因此，在中國特色社會主義理論體系指導下，深入學習實踐科學發展觀，牢牢把握中共貴州省十屆十次全會提出的“十二五”時期“加速發展、加快轉型、推動跨越”的主基調，重點實施“工業強省”和“城鎮化帶動”兩大戰略，同步推進工業化、城鎮化、農業現代化，奮力后發趕超，貴州的發展必將隨著西部大開發的推進而實現歷史性的跨越。

3貴州的能源優勢

貴州的能源資源富集，主要由水力資源、煤炭資源和煤層氣資源組成，形成了水煤結合、水火電互濟、煤氣互通的能源資源優勢。貴州的能源優勢為貴州的工業強省戰略奠定了堅實的基礎。

水源是一種可再生能源，是清潔能源，隨著礦物燃料的日漸減少，水能是非常重要且前景廣闊的替代資源。貴州河網密度大，河流坡度陡，天然落差大。產水模數高，水能資源十分豐富。水能理論蘊藏量為1874.5萬kW，居全國第六位。其中技術可開發量達1683.3 kW，占全國的4.4%[3]。按單位面積占有量計算，每平方千米就有1069 W，是全國平均水平的1.5倍，居全國第三位。貴州水能資源的特點是：分布均、造價低、發力高、區位優。

貴州是南方煤炭資源最豐富的省區，成煤地質條件好，煤炭資源儲量豐富，分布廣泛而又相對集中，具有儲量大、煤種全、埋藏淺、分布聚、含硫低、組合好的特點，素有“西南煤海”之稱。

貴州與煤炭相伴生的煤層氣資源也十分豐富。煤層氣俗稱“瓦斯”，是以煤為儲存的非常規天然氣，是一種潔凈的氣體能源和寶貴的化工原料，中國和世界上許多國家都已將煤層氣列為21世紀重點開發的又一新能源。經過相關部門研究預測，貴州埋深2000 m以淺的煤層氣資源量達3.15萬億m3，儲量居全國前列，其豐富甲烷的煤層氣占90%以上。其煤層氣的分布與煤礦的分布一致，以六盤水煤田最豐，次為織納煤田和黔北煤田，已經成為中國重要的煤層氣產區。

4研究背景

從國內看，隨著工業化、城鎮化進程加快和消費結構升級，我國能源需求呈剛性增長，受國內資源保障能力和環境容量制約，我國經濟社會發展面臨的資源環境瓶頸約束更加突出，節能減排工作難度不斷加大。從國際看，圍繞能源安全和氣候變化的博弈更加激烈。一方面，貿易保護主義抬頭，部分發達國家憑借技術優勢開征碳稅并計劃實施碳關稅，綠色貿易壁壘日益突出。另一方面，全球范圍內綠色經濟、低碳技術正在興起，不少發達國家大幅增加投入，支持節能環保、新能源和低碳技術等領域創新發展，搶占未來發展制高點的競爭日趨激烈[4]。

省委書記曾說：“我們要堅持在保護中發展，在發展中保護。這樣，使保護環境和加快工業的發展有機統一起來，既保住了青山綠水，又使老百姓能夠盡快致富，能夠增加就業，能夠改善人民的生活。”實施工業強省戰略，貴州瞄準的是新型工業化的發展方向。走新型工業化道路，需掌握“加減乘除”的運算規則，即努力吸收和整合有效資源，大力引進科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、資源優勢得到充分發揮的新型工業項目。堅決淘汰高污染、高耗能項目和落后產能，推進節能減排工作，促進生態文明建設。以重大項目引領，突出產業特色，實行集聚發展、集群發展的工業化發展方向，實現倍增計劃。做大產業規模、做長產業鏈、做強產業群，變資源比較優勢為市場競爭優勢，提升產業比重。

貴州是“沉積巖的王國”，資源潛力大能保證長期開發所需。貴州工業在不斷探索中發展，貴州工業已經在西部崛起，一幅嶄新的新型工業化發展藍圖正在描繪。把貴州發展成工業強省是毋庸置疑的，但是貴州現在的發展也存在一定的問題，諸如資源約束矛盾突出等。能源和原材料工業占全省工業比重的75%左右，隨著能源、優勢原材料等產業的加速發展，隨著人口增長、城鎮化建設的加快，能源、水、土地、礦產等資源不足的矛盾越來越突出，生態和環境壓力越來越大，所以發展節能工業也將是大勢所趨。貴州省不但是煤炭資源大省，也是煤層氣資源大省。煤層氣資源總量為3.15萬億m3，約占全國的10%，排名全國第二，素有“北有山西，南有貴州”之說。目前貴州省頁巖氣地質資源量為13.54萬億m3，可采資源量約1.95萬億m3，但是現在貴州資源的勘探與利用現狀是資源勘探廣而不精、缺乏專業人才與設備。

5貴州省煤層氣頁巖氣資源及勘探開發現狀

5.1煤層氣、頁巖氣的定義

煤層氣，是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產資源，屬非常規天然氣，是近一二十年在國際上崛起的潔凈、優質能源和化工原料。俗稱“瓦斯”，熱值是通用煤的2～5倍[5]，1 m3純煤層氣的熱值相當于1.13 kg汽油、1.21 kg標準煤，其熱值與天然氣相當，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈， 幾乎不產生任何廢氣，是上好的工業、化工、發電和居民生活燃料。煤層氣空氣濃度達到5%～16%時，遇明火就會爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應約為二氧化碳的21倍，對生態環境破壞性極強。在采煤之前如果先開采煤層氣，煤礦瓦斯爆炸率將降低70%～85%。煤層氣的開發利用具有一舉多得的功效，商業化能產生巨大的經濟效益，為國家戰略資源[6]。

頁巖氣，是蘊藏于頁巖層可供開采的一種特殊的非常規天然氣，中國的頁巖氣可采儲量居世界首位。頁巖氣的形成和富集有著自身獨特的特點，往往分布在盆地內厚度較大、分布廣的頁巖烴源巖地層中，賦存于泥巖和頁巖中，具有自生自儲、無氣水界面、大面積連續成藏、低孔、低滲等特征，一般無自然產能或低產，目前只能用大型水力壓裂和水平井技術才能進行經濟開采，而且單井生產周期長。較常規天然氣相比，頁巖氣開發具有開采壽命長和生產周期長的優點，大部分產氣頁巖分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，這使得頁巖氣井能夠長期地以穩定的速率產氣[7]。

5.2煤層氣、頁巖氣開發現狀

據了解，貴州省頁巖氣地質資源量達13.54萬億m3，位列全國第二，可采資源量約1.95萬億m3，排名已經上升至全國第三；煤層氣資源總量為3.15萬億m3，約占全國的10%，也同樣排名全國第二[1]。所以貴州的煤層氣頁巖氣資源可謂是豐富，但是貴州省內在這方面的開采技術還沒有得到進步，而且在天然氣開發這一領域也還沒有組建得有自己成熟的勘探隊和開采隊。

根據最新的資訊預測，貴州省在2020年的天然氣消費量將達70億m3，同時也將加大與國外的合作，向緬甸等國家出口天然氣。目前已建成的中緬管道每年可提供管道天然氣遠不能滿足需求，缺口較大。開發利用好頁巖氣、煤層氣資源將成為未來貴州省天然氣供給的重要補充。雖然貴州省的煤層氣頁巖氣資源豐富，但是目前在頁巖氣、煤層氣勘探開發方面卻存在著諸多難題。

貴州省煤層氣頁巖氣的儲備量非常大，煤層氣頁巖氣作為潔凈能源其開發利用價值在我國能源行業引起高度重視。所以貴州省政府為了加快省內煤層氣頁巖氣資源勘探和開發進程，將全省的資源優勢凸顯出來，加快貴州的經濟建設，貴州省科技廳于2014年4月批準成立“貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心”。該工程技術中心是專門研究煤層氣頁巖氣勘探開發工程技術的機構，將結合現有的技術基礎，通過研究取得技術的突破。到目前也初見成效。而貴州的煤層氣頁巖氣的勘探開發不能只依靠現有的初建成的工程技術研究中心，目前貴州省的多個高校內同樣擁有研究這方面的人才和設備，只需結合各個高校的人力物力資源優勢，組建一個煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心，將是貴州的在天然氣勘探開發工程技術方面如虎添翼。

6貴州省煤層氣頁巖氣開發存在的主要問題

6.1資源家底不清

從圖1可知：目前，在貴州省內進行的油氣勘探程度很低，只是做了少量的二維勘探工作量，很難確定天然氣資源的儲存情況，以目前的勘探程度不足以支撐常規油氣及巖氣的開發，所以在這方面我們還需補做大量的地質勘探工作，尤其是進行三維勘探，這樣才能正確的摸清貴州省內煤層氣頁巖氣資源家底。

6.2管網設施不足

貴州省的經濟發展相對國內其他省來說比較落后，在管網設施建設方面同時也相對滯后，且已有管網設施在第三方準入、市場開放等方面體制不順、壟斷經營、缺乏政策支持，不利于煤層氣和頁巖氣開發利用。隨著煤層氣頁巖氣規模開發，基礎設施不足等問題將成為制約煤層氣頁巖氣開發利用的凈瓶。

6.3核心開發技術難度大

貴州省在煤層氣頁巖氣開采方面最吃虧的就是技術問題，核心技術沒有得到更新，開采難度大。開采單位在常規油氣勘探，非常規油氣資源評價和水平井、壓裂增產開發技術等方面與國內外的開發單位相比尚未形成商業開發的核心技術體系。再加上貴州復雜的地貌，造成技術要求高，開發難度大[8]。

6.4缺乏專業的設備和技術人才

根據資料調查，目前貴州省的測井技術人員水平普遍偏低。因貴州獨特復雜的地質條件，專業的鉆井設備受特殊地質條件影響鉆探能力不足。貴州省在目前現有的多數施工隊伍均來自外省探勘隊，而本土的新老交替很難跟上步伐，貴州省的高校也暫無此類的專業人才培養。因此，組建貴州高校煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心是貴州在發展煤層氣和頁巖氣未來戰略上的關鍵策略。

7組建貴州高校煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心方案

7.1方案設計

以貴州大學和貴州理工學院為兩個中心，以貴州工程應用技術學院、六盤水師范學院、貴州財經大學為三個協同，以下簡稱兩中心三協同。

7.1.1兩個中心

貴州大學位于中國貴州省貴陽市，是教育部與貴州省人民政府合作共建的國家“211工程”全國重點建設綜合性大學。礦業學院前身為貴州工學院采礦系，組建于1958年，1986年經國務院學位委員會批準，采礦工程專業成為貴州省具有碩士學位的授權點，2001年，礦業工程領域工程碩士成為貴州省首批具有專業學位的授權點。學院網站2006、2007年度連續兩次被評為“貴州大學十佳網站”。學院擁有貴州省能源科學研究所1個，現有教職工68人，具有高級職稱的教師有29人，擁有采礦工程、礦物加工工程、安全工程、測繪工程、建筑設備與環境工程、礦物資源工程等6個本科專業；擁有碩士學位授權點4個，其中，礦業工程一級學科碩士點1個，采礦工程、礦物加工工程、安全工程二級學科碩士點3個，礦業工程領域專業碩士點1個。目前在校學生千余人。近年來，承擔國家自然科學基金、部級項目、國際合作項目等各類科研項目30余項。先后與加拿大、英國、澳大利亞、日本、美國等國家和地區的院校和科研機構建立了合作交流關系。目前學院擁有敢于創新、百折不撓的科研團隊和嚴謹求實、潛心教學的師資隊伍，學院以本科教育為主，大力發展研究生教育。建設成為整體水平西南一流、優勢學科達到西南地區先進水平，立足貴州，面向全國，特色鮮明的教學研究型學院是學院的奮斗目標。

貴州理工學院是應省委、省政府實施工業強省戰略和城鎮化帶動戰略對理工類應用型人才之需，經教育部批準設立的一所省屬本科理工院校，并于2013年正式開始招生，是貴州省唯一一所理工類院校。礦業工程學院是按高起點、高標準要求組建的教學二級學院，學院設有采礦工程、安全工程兩個本科專業，采礦工程專業為校級重點支持學科，立足于建設我省礦業行業的智能化綠色開采。2014年開始招收安全工程專業本科生，主要培養燃氣安全、消防安全、爆破安全方面的應用型高級專業技術人才。2016年開始招收采礦工程本科專業，主要培養固體礦床開采、煤層氣頁巖氣等新能源開采方面的應用型高級專業技術人才。目前全日制本科在校生600人，其中基于大安全理念安全工程專業按CDIO創新人才培養模式進行培養，教學事跡得到中國新聞網等多家國家級媒體的報道。

7.1.2三個協同。

六盤水師范學院礦業工程系的前身是貴州大學六盤水能源礦業學院，礦業工程系采礦工程是省級重點支持學科、省級重點學科、省級特色專業、校級重點學科、校級特色專業、貴州省第二批國家級專業綜合改革試點項目。在建省級工程中心一個：礦山壓力與巖層控制工程中心；省級科技團隊一個：貴州省煤炭綠色開采及礦區生態環境保護科技創新人才團隊。2012年獲得貴州科學院六盤水分院煤礦突出危險參數檢測技術服務中心建設項目。

貴州工程應用技術學院礦業工程學院建設有貴州省高等學校喀斯特物探工程研究中心和省市共建礦山物探重點實驗室，采礦工程學科為省級重點支持學科，采礦工程專業建設成為省級專業綜合改革項目，礦業工程一級學科成為校級重點學科。

貴州財經大學管理科學學院，2015年5月在原貴州財經大學管理科學與工程管理學院、資源與環境管理學院基礎上，遵循國家資源環境可持續發展戰略思想，根據學校學科優化需要重新組建而成立的一個新學院。

7.2方案運行

煤層氣不同于常規油氣，它是以吸附態為主吸附于煤層孔隙中。目前開采煤層氣的主要方式就是排水降壓，通過抽取承壓含水層中的水，使煤層孔隙中的氣體獲得更大的活動空間，由于PV=NRT，故活動的增大，使得的壓力降低，當壓力降到一定程度，甲烷氣體就能從孔隙表面解吸出來，之后通過擴散到達裂隙系統中，最后滲流到井筒附近產出。再由氣水分離器分離出氣體，即可得到煤層氣[9]。頁巖氣因儲藏方式不同，開采技術要求也不相同，水平井和分段壓裂是頁巖氣開發中最關鍵的技術，也是最難的技術。低滲透率的物理特性氣流的阻力比常規天然氣大，所有的井都需要實施儲層壓裂改造才能開采出來，但可惜的是我國至今還沒有形成成熟的技術。兩個中心主要為三個協同提供技術支持，進行人員的調配以及資料的編寫與整合等工作。

三個協同主要工作：貴州工程應用技術學院礦業工程學院有普通測量實驗室、精密測量實驗室、采礦技術實驗室、礦山壓力與巖層控制實驗室、礦井通風與安全實驗室、礦井瓦斯防治實驗室、礦山巖石力學實驗室、物探實驗室、礦山機電實驗室、礦山數值模擬實驗室、安全人機工程實驗室及巖礦實驗室等12個實驗（實訓）室。主要負責資源的探尋及繪制資源地區的資源詳細礦體圖。

六盤水師范學院礦業工程系實驗中心總面積6626 m2，下屬采礦工程實驗室、安全工程實驗室、地質工程實驗室和機械電子工程實驗室共4個專業實驗室。實驗設備齊全，擁有三軸壓力實驗系統、現代化礦井仿真系統、礦井通風與安全仿真實驗裝置、二維物理相似模擬平臺等實驗儀器設備共計128臺（件），目前，建成產學研合作基地和實習基地7個。主要負責研究現代資源開采儀器研究及教學。

貴州財經大學管理科學學院擁有“數量經濟實驗室”、“工程測量實驗室”、“資源環境實驗室”、“3D建模實驗室”，在技術經濟與管理、工程項目管理、項目決策、資源環境規劃、城市規劃管理等方面具有較強的教學科研及社會服務能力。主要負責建模、統計、規劃等工作。

總之，各中心與協同之間加強學術交流的同時加強人才學生的交流，共同培養一批優秀的學生及專家到貴州各能源公司。

7.3方案運行的可行性

（1）省內發展需求。貴州省煤層氣頁巖氣資源儲備量巨大，但是貴州省內現有的機構和人才都尚未在這方面掌握先進的勘探和開發工程技術，導致貴州省煤層氣頁巖氣的開采沒有形成一定的規模，無法體現貴州的資源優勢。所以，為了加快貴州省煤層氣、頁巖氣資源勘探開發進程，同時根據貴州省實施工業強省戰略和城鎮化帶動戰略的要求，組建一個以省內高校為主導的煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心是完全可行和有必要的。

（2）能加快貴州省經濟建設和發展。貴州省若能將煤層氣頁巖氣巨大的資源優勢轉化為現實能源供給，這也將必定為貴州的經濟建設和發展提供穩定的經濟基礎，為貴州省現代化建設提供堅實的后備力量和保障。所以開發貴州省煤層氣頁巖氣資源是發展貴州經濟必不可少的決策。

（3）能源清潔，需求量大。由于石油，煤炭等資源的大量開采逐漸減少，對環境也造成了極大的破壞，而煤層氣、頁巖氣作為新型清潔能源，商業化能夠產生可觀的經濟效益，對環境而沒有影響，備受各國的青睞，需求量大，是國家的戰略資源。貴州省的煤層氣頁巖氣資源儲備豐富，進行規模開采的話將為貴州帶來巨大的經濟效益，同時又不污染環境。

（4）省內該方面的勘探開發技術較落后，需突破。在煤層氣頁巖氣勘探開發技術上面，貴州省尚未掌握先進的核心技術，也還沒組建得有成熟的勘探開采隊，無法大力發展貴州煤層氣頁巖氣規模開采。而組建貴州高校在這方面的協同研究中心將推動工程技術的發展，取得突破。

（5）省內緊缺研究該方面的機構。貴州省為加快煤層氣頁巖氣的勘探開發進程，集省內的力量在2014年組建了一所煤層氣頁巖氣的研究中心，但是到目前才有所成效，無法滿足貴州煤層氣頁巖氣資源開發的需求。所以貴州省應利用好省內各所高校的資源，再組建一所煤層氣頁巖氣的協同研究中心，才能加快發展。

（6）省內高校完全具備研究條件。省內的高校，如上文提到的貴州大學、貴州理工學院、貴州財經大學、貴州工程應用技術學院、六盤水師范學院，在研究設備和人才方面都具備了條件，若結合這幾所高校資源，專門研究煤層氣頁巖氣的勘探開發技術，將很快取得技術突破，加快貴州天然氣的開發。

7.4組建貴州高校煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心的意義

到目前為止，貴州煤層氣資源開發潛力及意義巨大，但是在產業政策、資金投入、勘探、開發技術研發等方面還面臨著一些問題和困惑，影響煤層氣產業的有序、健康發展。與美國和國內石油大公司相比 ，貴州涉礦單位在常規油氣勘探，非常規油氣資源評價和水平井、壓縮增產開發等方面尚未形成頁巖氣開發的核心技術體系。而組建貴州高校煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心，引進中科院地球與地質物理研究所，與省內設計研究院、中心、相關企業合作，組建貴州省唯一從事煤層氣、頁巖氣勘探開發利用技術研究工程中心，研究適應貴州煤層氣勘探開發利用的系列技術，將是貴州未來發展工業強省的一個趨勢。工業的競爭，說到底是人才的競爭。抓住一個人，可以帶來一個產業；抓準一個人，可以帶來一片市場，選好一個人，可以改變一個格局。貴州高校資源建立起來的煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心可以激活貴州人才庫，對貴州未來的發展提供便利和縮短進程。

8結語

通過最近幾年的勘探發現貴州省煤層氣頁巖氣的資源儲備量巨大，在全國排名前列，為貴州的經濟建設打下了堅實的資源后盾。但是由于貴州省的特殊地質條件和煤層氣頁巖氣資源勘探開發工程技術上長期處于滯后的狀態，導致貴州煤層氣頁巖氣資源無法進行大規模的開發利用。為了解決技術難得問題，貴州省也組建了一所專門研究煤層氣頁巖氣的研究所，目前也有所成效。但是隨著貴州經濟的快速發展，對能源方面的需求量和要求也不斷提高，現有的研究機構根本無法滿足煤層氣頁巖氣資源開發的進度，同樣，這也是貴州煤層氣頁巖氣發展的頸瓶。

目前貴州省內設立得有多所高校，同時有些高校也具備研究煤層氣頁巖氣這方面的資源和力量，只要對這些高校的設備和人才資源進行整合，組建一所“貴州高校煤層氣頁巖氣工程技術協同研究中心”，將為貴州在煤層氣頁巖氣資源勘探開發的技術上帶來突破，掌握最新的核心技術，為貴州未來的發展奠定堅實的資源后備力量，加速貴州經濟又好又快的發展，將大大縮短貴州現代化建設的進程。

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